红外搜索跟踪系统中消旋棱镜的设计与调试

　　1 引 言

　　随着红外探测器技术的发展，红外搜索跟踪系统( IRST) 已从单元探测器体制更新换代为多元大规模阵列器件[1]。为了达到在有限的时间内获得尽可能大的搜索范围的目的，IRST 往往具有不同形式的光机扫描体制[2]。由于单一反射镜扫描方式具有结构简单、控制容易等优点，该方式是目前大多 IRST 普遍采用的扫描方式。由于扫描反射镜的转动造成了物方目标反射像方向的改变，系统产生像旋[3]，如不进行处理，将不利于目标的观测与捕捉。

　　目前消除像旋的方式基本可分为光学消旋与电子消旋两种方式。由于光学消旋方式具有良好的实时性，不会造成图像信息的延迟，是常用的消旋方式。但消旋部件的增加，会降低系统的通过率，增加系统的体积与质量; 为了减小消旋部件的不利影响，应对其进行合理的设计。

　　本文在采用光学棱镜———改进的道威棱镜实现对 IRST 的像旋校正的基础上，分析棱镜加工误差对光轴造成的影响; 提出消旋棱镜的调试方法。

　　2 IRST 光学系统组成

　　IRST 光学系统主要由以下部分组成: 窗口( 或头罩) 、扫描反射镜、红外望远镜、消旋棱镜、红外会聚系统、探测器等部分组成，如图 1 所示。系统中消旋棱镜为一个置于红外望远镜后经过改进的道威棱镜，并且其旋转速率为扫描反射镜旋转速率的 1/2，实现像旋的校正[4]。

　　3 棱镜分析与设计

　　3. 1 光轴偏角

　　IRST 系统中所采用的棱镜展开图如图 2 所示。根据折射定律及相关几何关系，可得:

　　其中，θ = α - β，α，β 分别为棱镜两底角; i，i'分别为光线的入射角与出射角; n 为棱镜材料的折射率。

　　当棱镜接近理想时，θ 很小，此时式( 1) 可变为:

　　当 α≠β 时，有 i≠i'，即光轴方向发生变化。一般来说，光轴偏角应小于探测器的一个像素，设棱镜后会聚镜的焦距为 f '，探测器像元尺寸为 d，则棱镜误差造成的光轴变化 δ 为:

　　3. 2 色差

　　一般情况下，道威棱镜的色差为[5]:

　　由于消旋棱镜的θ 值很小，所以其引入的色差很小。为了进一步减小消旋棱镜的色差对系统的影响，系统应尽量选择低色散率的光学材料。

　　3. 3 吸收

　　对于各向同性的光学材料而言，其透过率可表示为[6]:

　　其中，a 为吸收系数( cm- 1) ，L 为光线传播路径方向光学材料的厚度。由式( 5) 可以看出，为了提高系统的信噪比，应该尽量减小光线在消旋棱镜内的传播路程，同时选择低吸收的光学材料。改变棱镜的两底角 α、β 可以有效的改变光线在棱镜传播路程的长度。